分子水平上結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的四個(gè)實(shí)例

王永田

(山東省費(fèi)縣教育局教研室 273400)

王立鳳

(山東省費(fèi)縣朱田中學(xué) 273418)

1 分子水平上的四個(gè)實(shí)例

1.1 氨基酸結(jié)構(gòu)通式 高中生物學(xué)教材中對(duì)氨基酸有這樣的描述：“每種氨基酸分子都至少含有一個(gè)氨基(-NH2)、一個(gè)羧基(-COOH),并且都有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基連結(jié)在同一個(gè)碳原子上”(圖1)。

自然界中的氨基酸遠(yuǎn)不止20種，為什么構(gòu)建蛋白質(zhì)的氨基酸必須至少要有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基并且連結(jié)在同一個(gè)碳原子上？氨基酸的R基團(tuán)中也可以含有氨基或羧基，為什么R基團(tuán)中的氨基和羧基不參與脫水縮合？這涉及氨基酸分子的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的問(wèn)題。

基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯控制著蛋白質(zhì)的合成。在翻譯階段，mRNA通過(guò)與tRNA的協(xié)作實(shí)現(xiàn)特定氨基酸序列的線性控制[1]。每一個(gè)tRNA分子3′端與所攜帶氨基酸的特定羧基相連，與該羧基相連的同一個(gè)碳原子上必定連著一個(gè)氨基。核糖體在mRNA上移動(dòng)時(shí)，該羧基與下一個(gè)tRNA分子3′端所攜帶氨基酸的特定氨基(與羧基連在同一個(gè)碳原子上的氨基)脫水縮合，如此依次進(jìn)行。

試想，如果氨基酸分子結(jié)構(gòu)式中找不到連結(jié)在同一個(gè)碳原子上的氨基和羧基，翻譯出的肽鏈將失去其線性主鏈結(jié)構(gòu)；如果R基上的氨基和羧基也參與脫水縮合，那么一個(gè)氨基酸就可能同時(shí)與多個(gè)氨基酸結(jié)合，mRNA就無(wú)法保證肽鏈形成過(guò)程中氨基酸的準(zhǔn)確定位，特定的遺傳物質(zhì)(基因)就無(wú)法控制合成出特定的蛋白質(zhì)。因此，構(gòu)成生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的氨基酸都必須滿足氨基和羧基必須連結(jié)在同一個(gè)碳原子上。結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，是自然選擇的必然結(jié)果。

1.2 核酸分子 DNA和RNA都是核酸大分子，分子中堿基(對(duì))的排列順序攜帶了大量的遺傳信息。分子結(jié)構(gòu)的不同決定兩者功能有明顯的不同，使它們各司其職(表1)。

通過(guò)比較可以看出，DNA和RNA的單體都是核苷酸，兩種核酸分子都是遺傳信息的攜帶者，其結(jié)構(gòu)是與各自功能相適應(yīng)的。

表1 生物的DNA和RNA結(jié)構(gòu)和功能比較

1.3 糖原和脂肪 糖原和脂肪都是由C、H、O三種元素組成的動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的大分子儲(chǔ)能物質(zhì)，但又不僅僅是儲(chǔ)能物質(zhì)。分子結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致兩者功能存在較大的差異。

糖原分為肝糖原和肌糖原。糖原與支鏈淀粉相似，是由許多個(gè)葡萄糖組成的帶分枝的大分子多糖，是人和動(dòng)物細(xì)胞的儲(chǔ)能物質(zhì)。提純的糖原為白色無(wú)定形顆粒，密度(1.83 g/cm3)比脂肪大，易溶于水，在酶的作用下可以迅速地合成或分解，由此決定糖原是一種能被迅速利用的儲(chǔ)能形式。

肝糖原通過(guò)迅速分解、合成以維持血糖濃度。肝糖原占肝臟總質(zhì)量6%～8%，約為100 g，量雖然不多，但在維持血糖濃度方面具有重要的作用。一方面，隨著代謝進(jìn)行，當(dāng)血糖因消耗而濃度逐漸降低時(shí)，在神經(jīng)-體液的調(diào)節(jié)下，肝糖原會(huì)迅速分解，陸續(xù)釋放到血液中，提高血糖濃度；另一方面，當(dāng)由于食物的消化吸收等導(dǎo)致血糖濃度快速升高時(shí)，通過(guò)胰島素的調(diào)節(jié)，肝臟細(xì)胞吸收葡萄糖將其合成肝糖原暫時(shí)儲(chǔ)存，迅速降低血糖濃度，從而維持血糖濃度的相對(duì)穩(wěn)定。

儲(chǔ)存在肌肉中的肌糖原約占肌肉總質(zhì)量的1%～2%，約為400 g。在劇烈運(yùn)動(dòng)等生理狀況下，肌糖原可迅速酵解為乳酸，同時(shí)為肌肉自身收縮供給能量。乳酸由血液運(yùn)輸?shù)礁闻K合成肝糖原。

脂肪是細(xì)胞內(nèi)良好的儲(chǔ)能物質(zhì)。脂肪是非極性化合物，以無(wú)水的形式存在于細(xì)胞內(nèi)，而糖原是極性化合物，是以高度的水合形式存在，在機(jī)體內(nèi)貯存時(shí)所占體積相當(dāng)于同等質(zhì)量脂肪所占體積的4倍左右。脂肪中C、H的比例較高，氧化分解時(shí)需要更多的O2，1 g糖原氧化分解釋放約17 kJ的能量，而1 g脂肪可以釋放39 kJ的能量。因此，脂肪是一種很“經(jīng)濟(jì)”的儲(chǔ)能物質(zhì)。

脂肪分子結(jié)構(gòu)比糖原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且密度較小，比熱容較高，容易形成大顆粒，可以起到潤(rùn)滑和保溫作用。脂肪分布在體內(nèi)不容易進(jìn)行活動(dòng)的區(qū)域，能緩沖和減壓，還能更有效的儲(chǔ)存能量；而糖原一般以分子形式存在于細(xì)胞中，不能自身聚合成大的分子團(tuán)，故容易參與生化反應(yīng)，不容易長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量。

1.4 染色質(zhì)與染色體的轉(zhuǎn)化 染色質(zhì)和染色體都是由DNA和蛋白質(zhì)組成的，是同一種物質(zhì)在不同時(shí)期的兩種存在狀態(tài)。兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)化有什么意義呢？

染色質(zhì)狀態(tài)與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄相適應(yīng)。染色質(zhì)呈細(xì)絲狀，在有絲分裂的分裂間期或減數(shù)第一次分裂前的間期，解旋酶容易解開其螺旋，便于DNA分子的復(fù)制；遺傳信息存在于DNA分子堿基對(duì)的排列順序中。在分化的細(xì)胞中，染色質(zhì)狀態(tài)有利于RNA聚合酶發(fā)揮作用，快速完成基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。

染色體狀態(tài)則與遺傳物質(zhì)的分配相適應(yīng)。染色質(zhì)狀態(tài)盡管與復(fù)制和轉(zhuǎn)錄相適應(yīng)，但是纏繞的細(xì)絲卻不利于遺傳物質(zhì)的平均分配。因此，在有絲分裂的前期或減數(shù)第一次分裂的前期，染色質(zhì)逐漸螺旋纏繞，縮短變粗，成為染色體，從而便于將遺傳物質(zhì)精確地平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。

2 適應(yīng)的相對(duì)性及其遷移應(yīng)用

2.1 適應(yīng)的相對(duì)性 結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是通過(guò)長(zhǎng)期的生物進(jìn)化形成的，是自然選擇的結(jié)果，也是物種多樣性和適應(yīng)性的具體體現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成了生命系統(tǒng)更高層次的多樣性和適應(yīng)性。但是，隨著環(huán)境條件的變化，有些“適應(yīng)”變成了“不適應(yīng)”，說(shuō)明適應(yīng)具有相對(duì)性。例如，中生代時(shí)期爬行動(dòng)物非常適應(yīng)環(huán)境，但到了中生代末期，地球出現(xiàn)了強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)，氣候環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，大量的爬行動(dòng)物，例如重達(dá)幾噸，甚至幾十噸的恐龍適應(yīng)不了環(huán)境突變的打擊，趨于滅亡。而某些爬行類則發(fā)生了角質(zhì)鱗片的突變，逐漸演化形成羽——鳥類逐漸形成，適應(yīng)了新的環(huán)境。說(shuō)明突變和基因重組為生物進(jìn)化提供了原材料，在自然選擇的作用下，新的“適應(yīng)”會(huì)逐漸形成。

2.2 “結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”觀念的運(yùn)用 “結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的學(xué)科思想，是指導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的“活”的理念。例如，在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，可以分析生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如何與其物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞功能相適應(yīng)，分析“每種生物都離不開它們的生活環(huán)境，同時(shí)又能適應(yīng)、影響和改變環(huán)境”[2]；分析“高等多細(xì)胞生物和人體在生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝、遺傳和變異等各種活動(dòng)中，通過(guò)一定的調(diào)節(jié)機(jī)制，使機(jī)體保持穩(wěn)態(tài)，并作為一個(gè)整體完成復(fù)雜的生命活動(dòng)，適應(yīng)多變的環(huán)境”[3]。